DE2735499C2 - System zur automatischen Positionierung eines Wasserfahrzeugs - Google Patents
System zur automatischen Positionierung eines WasserfahrzeugsInfo
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- G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
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Description
Die Erfindung befaßt sich mit einem System entsprechend dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.
Positionierungsverfahren werden angewendet für Bigger, Bohr' und Meßplattformen, Rohrleger u. ä. So
wird das Verlegen einer Rohrleitung im Wasser mittels eines Rohrlegers vorgenommen. Der auf dem Rohrleger
zusammengeschweißte Rohrstrang wird auf vorgegebener Trasse auf dem Meeresboden verlegt Die
Rohrleitung wird über eine Ablauframpe ins Wasser abgelassen. Dabei wird von einem Tensioner die
abzulassende Rohrleitung derart gehalten, daß vorgegebene Biegespannungen und Krümmungen des Rohrstranges
nicht überschritten werden.
Die Antriebs- und Haltekräfte werden von Winden über Seile und Anker erzeugt, wobei die Ankerseüe ca.
bis 4000 Meter ausgesteekt werden können.
Die Rohrsektionen werden in einer Sehweißstraße in mehreren Arbeitsgingen an den Rohrstrang angeschweißt
Nach abgeschlossenem Schweißvorgang wird der Rohrleger um die Sektionslänge mittels der
Ankerwinden in Vorwärtsrichtung weiterbewegt Nach Ablassen der Rohrsektion wird der Rohrleger mittels
der Winden auf Null abgebremst
Damit nun das Verlegen des Robrstranges auf vorgegebener Trasse und das Einhalten vot^egebener
Biegespannungen und Krümmungen des Rohrstranges nicht durch Umwelteinflüsse, wie beispielsweise Wind,
Strömungsrichtung und Wellenhub bei Seegang, beeinträchtigt wird, muß der Rohrleger auf vorgegebener
Position gehalten werden.
is Der Rohrleger »Viking Piper« ist der erste Rohrleger
seiner Größe, der mit einer automatischen Positionier-Einrichtung
ausgerüstet worden ist In der Arbeit von M. Klittich und K. Wüke in den »Wissenschaftlichen
Berichten«, AEG-TELEFUNKEN 49 (1976) 1/2, S.
50 ff. ist dieser Rohrleger ausführlich beschrieben.
Damit die Aufgabe, den Rohrleger auf vorgegebener Position zu halten, gelöst werden kann, müssen einer
solchen Positionier-Einrichtung etwa folgende Meßwerte eingegeben werden:
die Wegstrecke in Vorausrichtung,
die seitliche Abdrift vom vorgegebenen Verlauf der Trasse,
die Richtung der Rohrleger-Längsachse gegen Norden,
die Geschwindigkeit, mit welcher der Rohrleger in
Arbeitsrichtung fortbewegt wird,
die Geschwindigkeit der seitlichen Abdrift,
die Drehgeschwindigkeit des Rohrlegers,
die Richtung der ausgesteckten Ankerseile,
die Richtung der ausgesteckten Ankerseile,
der Füllungsstand der Windentrommeln,
die auf die Ankerseile ausgeübten Zugkräfte.
Auf dem Rohrleger »Viking Piper« sind für die Positionierung vierzehn Ankerwinden vorgesehen, die
bug- und heckseitig eingebaut sind. Zur Erfassung der Richtungen der Seite gegen die Fahrzeug-Längsachse
dienen Winkelmeßsysteme, die den augenblicklichen Wert der Ankerseüwinkel erfassen und der Positionier-Einrichtung
zuführen. Die Geschwindigkeiten des Rohrlegers in Längs- und Querrichtung wurde mit
einem Doppler-Sonar-System erfaßt. Dabei ist die Frequenzdifferenz zwischen dem gesendeten und dem
nach Reflexion am Boden wieder empfangenen Schallsignal ein Maß für die Geschwindigkeit des
Rohrlegers.
Aus der Positionsablage und den Geschwindigkeiten des Rohrlegers in Längs-, Quer- und Drehrichtung
werden korrigierende Sollkräf'.e berechnet, die nach einem komplizierten Optimierungsverfahren in Seilkräfte
für die einzelnen Ankerseüe umgerechnet werden. Eine unterlagerte Kraftregelung sogt je Winde
dafür, daß die auf dem Seil vorhandene Kraft mit der vorgegebenen Sollkraft übereinstimmt. Zu diesem
Zweck wird die Istkraft je Seil erfaßt.
Bei dein geschilderten Verfahren' haben sieh nun
verschiedene Nachteile gezeigt Beispielsweise spielen beim Erfassen der Rohrlegergeschwindigkeit in Arbeitsrichtung Wettereinflüsse eine entscheidende Rolle.
Derartige Wettereinflüsse können zwischenzeitlich das Meßsignal wiederholt unbrauchbar machen. ■
Desgleichen machen sich Umwelteinflüsse bei der Seilkrafteirfassung nachteilig bemerkbar, wie beispiels-
weise die Beschaffenheit des Meeresboden, So ist es
vorgekommen, daß die Anker trotz ihres sehr hohen Gewichtes die Sollkraft nicht halten konnten, so da3 die
automatische Positionierungs-Einrichtung aufgrund eines verfälschten Meßwert-Einganges die zugeordnete
Winde veranlaßt hat, das betreffende Seil eine gewisse Zeit mit hoher Geschwindigkeit einzuholen.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ist darin zu sehen, ein System zu schaffen, mit dem diese
Mängel beseitigt werden und in einfachster Weise eine ι ο optimale Positionierung des Rohrlegers erzielt wird.
Dabei sollen Rechenaufwand und Rechenzeit wesentlich vermindert werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Anweisung des Hauptanspruchs gelöst. Hierbei wird die
Erkenntnis genutzt, daß der Rohrleger nach einer gewissen Einschwingzeit sich aus dem Stillstand heraus
mit genau der Geschwindigkeit fortbewegen muß, mit der Seil ausgesteckt oder eingeholt wird.
Die automatische Positionierungs-Einrichtung arbeitet somit nicht mit Sollkräften der Seile, sondern mit
Sollgeschwindigkeiten. Die sich einstellenden Seilkräfte werden zunächst nicht berücksichtigt.
Die Sollgeschwindigkeit des Rohrlegers wird weiterhin von der Positionierungs-Einrichtung in Solige-
schwindigkeiten der einzelnen Seile beim Ausstecken oder Einholen umgerechnet und nach einem weiteren
Rechenschritt, in dem die Wickeldicke der Seiltrommel
berücksichtigt wird, werden die errechneten Werte der Windensteuerung als Solldrehgeschwindigkeiten für die
Windenmotoren vorgegeben. '
Der Vorteil des Verfahrens nach der Erfindung besteht darin, daß durch die Steuergleichungen der
Rechenaufwand erheblich verringert wird, so daß der in der Positionierungs-Einrichtung enthaltene Prozeßrechner die Rechenergebnisse in kürzester Zeit als
Signalwert an den Drehzahlregelkreis ausgeben kann.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß durch die Verwendung von Drehgeschwindigkeiten als Sollwerte
in der Betriebsart »Halbautomatik« auf die störanfällige Geschwindigkeitserfassung mittels Doppler-Sonar verzichtet werden kann.
Anhand des in der Zeichnung dargestellten Beispiels soll das Verfahren nach der Erfindung näher erläutert
werden.
Die Ableitung der Steuergleich^ngen erfolgt in einem
rechtsdrehenden Koordinatensystem. Dabei wird dzr Koordinatensprung in den Plattform-Mittelpunkt gelegt Das Koordinatensystem ist fest mit der Plattform
verbunden.
Für jede der Ankerwinden werden die Steuergleichungen für die Ankersfilgeschwindigkeit abgeleitet. In
diesem Fall sind die Gleichungen für die Winde 1 abgeleitet, die im Punkt /'aufgestellt ist
Nach der Figur ist χ in Vorausrichtung positiv, /nach
rechts positiv. Eine Drehung im Uhrzeigersinn wird als positiv angesetzt
Die im folgenden verwendeten Symbole haben folgende Bedeutung:
60
1 Winde 1
yi Auslaufrichtung des der Winde 1 zugeord
neten Seiles
x\/y\
Koordinaten des Krafteingriffpunktes P
des Seiles
7ji Richtung der Geschwindigkeit des Kralt-
eingriffpi'nktes P, allein hervorgerufen
durch die positive Rohrlegerdrehung
«1 Abstand des Punktes P vom Koordinaven-
Nullpunkt
■ψ
Richtung der *-Achse gegen Norden (Kurs)
χ
Vorausgeschwindigkeit des Rohrlegers
y
Geschwindigkeit des Rohrlegers nach
rechts
ψ Drehgeschwindigkeit des RohrIegers(Kurs~
änderung)
ωι Drehzahl der Winde 1 (für positive Werte
wird Seil eingeholt)
v\
Geschwindigkeit des Punktes P bei allge
meiner Rohrlegerbewegung
XsoHYsoH
Tpsoii
Steuergeschwindigkeiten für den Rohrle
ger (Stellgrößen)
Vi son
Sollgeschwindigkeit des Ankerseiles der
Winde 1
R,
Halbe Wickeldicke der Seiltrommel der
Windel
ωι soil
Solldrehzahl für die Seiltrommel der Winds
Fi max
Seilkraft-Maximaiwert, darf nicht über
schritten werden Winde 1
Fi min
Seilkraft-Minimalwert, darf nicht unter
schritten werden Winde 1
Für die Geschwindigkeit vi des Kraftangriffpunktes P
in Seilrichtung läßt sich die Gleichung hinschreiben, wenn sich der Rohrleger mit der Ist-Geschwindigkeit x,
y, ψ bewegt:
v, =xcos Y1 + ysin y, + φ d, cos (in -V1) (1)
Diese Gleichung gilt analog für die Geschwindigkeit des Kraftangriffpunktes eines jeden Seiles.
Besteht nun zwischen allen Seilgeschwindigkeiten und der Rohrlegergeschwindigkeit die Beziehung nach
Gleichung (1), und sind alle Störkräfte über die Seilkräfte kompensiert, befindet sich der Rolwrleger im
unbeschleunigten Zustand.
Die vorstehend beschriebene Beziehung wird von der
Erfindung dahingehend genutzt daß aus der Positionsablage die Steuergeschwindigkeiten X10/* Ysoii und φ5Ο/; für
den Rohrleger berechnet werden, und die Seile entsprechend diesen Steuergeschwindigkeiten eingeholt oder ausgesteckt werden.
Dabei befindet sich der Rohrleger im unbeschleunigten Zustand, wenn die Steuergeschwindigkeiten gleich
den Istgeschwindigkeiten sind (Gleichung 1):
Xsoll = X ; An« = Λ Ψ soll " Ψ
Eine Rolle spielen für den ordnungsgemäßen Funktionsablauf der Rohrlegerbewegung die Aussteckrichtungen der Ankerseile. Das bedeutet, daß für eine
Mindestanzahl der an der Vorausbewegung des Rohrlegers beteiligten Winden ein oder mehrere Terme
aus der Gleichung (2) nicht verschwindi.fi dürfen. Beispielsweise könnte eine Rohflegerdrehung nicht
eingeleitet werden, wenn der Cosinus des Winkels (τ/ι -γι) für alle Winden mit Null identisch wäre.
Da an die Windensteuerung nur Trommeldrehgeschwindigkeiten ausgegeben werden können, müssen
die Sollwerte für die Seilgeschwindigkeiten in Solldreh-
Geschwindigkeiten für die Windentrommeln umgerechnet werden:
, cos y, +>„„ sin
y,
+
φχ1ι d,
cos (ι,ι - y,)
(3)
Wenn exakt nach Gleichung (3) verfahren werden könnte, würde sich nach jeder Bewegungsphase des
Rohrlegers die zu Beginn der Bewegungsphase vorhandene Seilkraft wieder einstellen, da die eingeholten bzw. ausgesteckten Seillängen genau dem Weg des
Rohrlegers in Arbeitsrichtung entsprächen.
Eine solch exakte Einstellung der Trommeldrehgeschwindigkeiten ist jedoch praktisch nicht möglich. So
ergeben sich beispielsweise Fehler bei der Erfassung der halben Wickeldicke (R\) der Windentrommeln, desgleichen ist die Auslaufrichtung (yi) des Seiles in bezug auf
können sich auch bei der Drehzahlregelung ergeben
oder auch, weil die Anker auf dem Meeresboden nachgerutscht sind oder weil für das eine oder andere
Ankerseil die Zugkraftgrenze erreicht ist Daher werden sich während mehrerer Bewegungsphasen des Rohrlegers die Seilkräfte ändern.
Da jedoch hohe Seilkräfte eine genauere Einhaltung der vorgegebenen Rohrlegerposition gewährleisten, ist
es wünschenswert, ein hohes Kraftniveau einzuhalten. Daher werden alle Trommelsolldrehgeschwindigkeiten
gleich oder größer Null mit dem Faktor Eins bewertet, alle Trommelsolldrehgeschwindigkeiten kleiner Null
hingegen mit einem Faktor kleiner Eins, wobei dieser Faktor zwischen Null und Eins wählbar ist. Das
bedeutet, daß grundsätzlich langsamer ausgesteckt als eingeholt wird.
Sollte diese Maßnahme noch nicht ausreichen, um die Seile zur Erzielung eines hohen Seilzuges zu straffen,
kann eine weitere Regelung in Eingriff kommen, derart, daß bei Vorzeichenabweichung der Trommelsolldrehgeschwindigkeiten bzw. der Seilsollgeschwindigkeiten
vom Vorzeichen der Rohrlegeristgeschwindigkeitn in Seilrichtung an die entsprechenden Windentrommeln
ein Stop-Signal ausgegeben wird, so daß kein Seil mehr ausgesteckt wird
Außerdem muß gewährleistet sein, daß die jeweiligen Solldrehgeschwindigkeiten der Windentrommeln einen
vorgegebenen Maximalwert — nämlich die Nenndrehzahlen — nicht überschreiten können. Es könnte zum
Beispiel daran gedacht werden, die Stellgrößen X10A JW
φ«,/? auf derart niedrige Werte zu begrenzen, daß der
Quotient nach Gleichung (3) stets unter dem maximal zulässigen Wert bleibt Dadurch würde aber die
maximal mögliche Bewegungsgeschwindigkeit des
Rohrlegers in Vorausrichtung erheblich eingeschränkt
und folglich auch die Arbeitsgeschwindigkeit.
Als optimale Lösung bietet sich an, die Stellgröße x,„n
derart zu begrenzen, daß bei einem Seilauslaufwinkel ■j y-Null (Vorausrichtung)) einer Drehgeschwindigkeit
IJw=NuII und einem mittleren Trommelradius die
vorgegebenen Nenndrehzahlen nicht überschritten werden. Die Stellgrößen ψ»// und yKn sind stärker
begrenzt, da sich bezüglich seitlicher Abweichung und
ίο Drehrichtung keine derartigen Geschwindigkeiten wie
in Vorausrichtung ergeben, so daß die Stellgrößen entsprechend niedriger sein können.
Die Trommelsolldrehgeschwindigkeiten werden auf den Nennwert normiert Sollte nun eine der normierten
Γι Solldrehgeschwindigkeiten
>1 berechnet worden sein, werden alle Solldrehgeschwindigkeiten derart mit einem Faktor multipliziert, daß der höchste ausgegebene Sollwert gleich 1 wird. Das Verhältnis der
aiiccTpophpnpn SnllHrph79h|pn »iipinanHpr wirri flurrh
~>o die Multiplikation nicht verändert
Wie bereits erwähnt wurde, werden zwar die sich einstellenden Seilkräfte rechnerisch nicht berücksichtigt, jedoch muß eine Seilkraftbegrenzung Fm,x erfolgen.
Ebenso kann durch die Rohrlegerbewegung von
>'i Bewegungsphase zu Bewegungsphase erhebliches an
Seilkraft verlorengehen. Es wird zwar durch die vorgenannte Maßnahme gewährleistet daß eine Anzahl
der /^kerseile auf einem hohen Zugniveau gehalten
wird, jedoch ist bei diesem Verfahren über die einzelnen
jo Seilkräfte nichts ausgesagt Beispielsweise können
innerhalb der Bewegungsphase·* des Rohrlegers Ankerseile immer mehr an Zugkraft verlieren, ohne daß ein
Eingriff erfolgt, solange die Summe der Seilzugkräfte ausreichend ist
ü Daher werden den einzelnen Antrieben ein maximaler und ein minimaler Zugkraftgrenzwert vorgegeben,
wobei die Zugkräfte Mdgraa ma/mm unter Berücksichtigung der Trommelradien eingegeben werden. Alsdann
werden die Zugkraftgrenzen berechnet und an die
Somit erhalten die Drehzahlregler wegen der v) Zugkraftbegrenzungen eine von der automatischen
Positionier-Einrichtung steuerbare obere uiu* untere
Grenze ihres Ausganges.
Claims (6)
1. System zur automatischen Positionierung eines
Wasserfahrzeugs, insbesondere eines Rohrlegers, mittels ausgelegter Anker, die Ober Ankerseüe mit
am Wasserfahrzeug angebrachten Ankerwinden verbunden sind, mit einer automatischen Positionier-Enrichtung
zum Aufrechterhalten der Sollposition des Wasserfahrzeugs und mit regelbaren Ankerwinden,
dadurch gekennzeichnet, daß die Komponente der Rohrlegersollgeschwindigkeit in
Seilrichtung, die aus der Positionsablage errechnet wird, als Sollgeschwindigkeit für die Veränderung
der ausgesteckten Seillänge dient
2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sollgeschwindigkeiten der Ankerseüe
durch die Solldrehzahlen der Ankerwinden vorgegeben werden (Gleichung 3).
3. Sysicm nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Trommelsolldrehgeschwindigkeit
aus der Komponente der Rohrlegersollgeschwindigkeit in Seilrichtung gebildet wird, in dem
die Trommelsolldrehgeschwindigkeit mit einem Faktor kleiner Eins bewertet wird und dieser Faktor
zwischen Null und Eins wählbar ist
4. System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet daß bei unterschiedlichem Vorzeichen der
Trommelsolldrehgeschwindigkeiten und der Rohrlegeristgeschwindigkeit
in Seilrichtung ein Stop-Signal an die Windentrommel ausgegeben wird.
5. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzung de/ Windendrehgeschwindigkeiten
auf zulässige Werte durch Multiplikation aller Solldrehgeschwindigkei :n mit einem Reduktionsfaktor
erfolgt, wobei dieser Faktor so gewählt wird, daß die Winde mit dem höchsten Drehgeschwindigkeitssollwert
gerade den zulässigen Wert erreicht
6. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Regelung für die Windendrehgeschwindigkeiten
wegen der einzuhaltenden Seilkraftgrenzen ein Drehmomentregelkreis über- oder unterlagert
ist, derart, daß vorgegebene Maximal- und Minimalwerte der Seilzüge nicht über- und unterschritten
werden.
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---|---|---|---|
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DE2735499A1 DE2735499A1 (de) | 1979-02-22 |
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---|---|
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1977
- 1977-08-06 DE DE2735499A patent/DE2735499C2/de not_active Expired
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
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